Мировая практика выбора конструкций ВЭУ, их влияние на экономические характеристики и выбор ВЭУ для России

В учебнике «Ветродвигатели и ветроустановки» д.т.н. Фатеева Е.М. изд. 1948г. описаны следующие типы ветроколёс («ветротурбин» в современной международной терминологии) : Крыльчатое Роторное карусельное

Роторное барабанноеСавониуса Эффект Магнуса/Флеттнера

Роторная крыльчатая установка

Сравнение типов ветротурбин по теоретической аэродинамической характеристике ξ (КПД ветротурбины) Тип ветротурбиныКоэф. ξ рисунок Крыльчатая с горизонтальной осью вращения параллельной потоку воздуха (классическая) 0,593 Карусельная крыльчатая ветротурбины с вертикальной осью перпендикулярной направлению движения потока 0,41 Роторная карусельная с осью перпендикулярной направлению движения потока 0,192

Ветер м/сВт/м

Облик современной ВЭУ

Современная ВЭУ Главная характеристика ВЭУ - себестоимость получаемой электроэнергии.

ξ = 0,593ξ = 0,41ξ = 0,192 КлассическаяКарусельная крыльчатаяКарусельная роторная

Эффективность несущего профиля лопасти или крыла характеризуется коэффициентом качества профиля К: К = Су / Сх Су – характеризует подъёмную силу профиля (т.е. полезный эффект), Сх – характеризует силу сопротивления профиля (т.е. вредный эффект). Для вращающегося цилиндра К = 3 Для профилей достижим К = 28. Теоретический КПД ξ = 0,593. ВЭУ на основе эффекта Магнуса-Флеттнера

Реальные ветроустановки Производитель ВЭУ ξ max Enercon0,52 Vestas0,5 Nordex0,5 Gamesa0,5 Umoe0,5 Sinoi0,5 Euros0,5 Основная борьба между теми или иными производителями идет не в разрезе типов ветродвигателей, а в технологии производства, надежности и стоимости оборудования.

Мировые тенденции развития конструкций ВЭУ - увеличение КПД ВЭУ; - увеличение коэффициента использования установленной мощности; - рост единичной мощности установки; - размещение оси ветротурбины на максимально возможной высоте; - адаптивность ВЭУ (приспосабливаемость базовой конструкции) к району и особенностям применения; - формирование цены по размеру ветротурбины и высоте башни; - уменьшение количества механически изнашиваемых агрегатов; - минимизация участия человека в управлении установкой; - снижение материалоёмкости, в первую очередь металлоёмкости; - снижение трудозатрат на механическую обработку деталей; - снижение вредного влияния на макросистему (ВЭС на сеть и шум ВЭУ); - снижение массы агрегатов ВЭУ для снижения требования грузоподъёмности (и соответственно цены) к строительно-монтажной технике и обустройству строительной площадки, - минимизация требования к квалификации работников выполняющих монтаж и наладку. - снижение требований к эксплуатации ВЭУ для минимизации затрат на эксплуатацию и ремонт, а также снижения требования к квалификации эксплуатационного персонала.

Почему три лопасти? Формула идеальной ветротурбины: - Ось вращения параллельна направлению скорости ветра. - Бесконечное количество лопастей, ширина которых стремится к нулю. - Сопротивление лопастей равно нулю, а сами лопасти по всей своей длине одинаково эффективно работают. - Количество энергии, снимаемое с потока в каждой точке ометаемой площади, постоянно. - Угловая скорость вращения стремится к бесконечности. Три лопасти компромисс между С одной стороны стремлением обеспечить конструктивную прочность лопастей и снизить динамические нагрузки, удешевить ВЭУ путём уменьшения количества лопастей, обеспечить допустимый уровень аэродинамических шумов и вибраций, усиливающихся с ростом скорости движения концов лопастей и с другой стороны стремлением к увеличению КПД ветротурбины, растущего с увеличением оборотов ветротурбины и числа лопастей.

Какие ВЭУ лучше – с мультипликатором или без? ВЭУ с низкооборотными генераторами занимают около 15…17%рынка. ВЭУ с мультипликаторным приводом, ширина гондолы 2,5м ВЭУ Enercon Диаметр гондолы 8м ВЭУ Harakosan Диаметр гондолы 4м Преимущества прямоприводных ВЭУ: - выше КПД; - проще монтаж; - дешевле эксплуатация; - выше межремонтный ресурс; - ниже вредное влияние на макросистему (ВЭС на сеть); - проще при освоении производства.

Для чего такая тонкая высокая башня? С созданием системы pitсh-контроля ( управления углом атаки лопастей), разрушающие нагрузки на башню намного снизились (на лопасти и прочие элементы также). Конструкторы ВЭУ создали «Гибкую башню», как более лёгкую и дешёвую. Высокая башня позволила поднять ветротурбину повыше, что повысило выработку энергии

Какой мощности ВЭУ наиболее востребованы в мире? Наиболее востребованными в мире сегодня стали установки мощностью в пределах 1,5…2,5МВт, применяемые для строительства ВЭУ на суше и установки от 3-х МВт и выше, как правило, применяемые для строительства ВЭС в прибрежной зоне с фундаментом на морском дне. Такое разделение по размерам в первую очередь связано с возможностями транспорта и монтажной техники. Как изменяется удельная цена ВЭУ с ростом установленной мощности? В сегодняшнем мире более корректно связывать цену установки не с мощностью установленного генератора, а с размером ветротурбины и высотой башни. Производители для различных по силе ветра районов предлагают различного размера установки при одном и том же генераторе.

Разделение ВЭУ одной мощности по ветровым районам I районI I районIII район

Эти различия ВЭУ для разных ветровых районов отражаются в наименованиях

Зависимость стоимости ВЭУ от диаметра ветротурбины и единицы установленной мощности (цифры 2002 года, на сегодня их нужно увеличить на %). От диаметра ветротурбиныОт мощности генератора

ВЭУ для России В качестве основных критериев выбора конструкции ВЭУ для строительства ВЭС в России приняты минимальные затраты времени и средств как для строительства ВЭС, наладки и эксплуатации, так и для освоения производства этих ВЭУ в России. В соответствии с этими критериями предложены основные принципы по выбору ВЭУ.

Основные принципы по выбору ВЭУ : 1. Конструкция ВЭУ должна строиться на основе принятых в мире отработанных технических решениях и, в противоположность, не содержать (или содержать минимум) технических решений, требующих конструктивной доводки и отработки. 2. Конструкция ВЭУ должна следовать мировым тенденциям развития техники в общем смысле и ВЭУ-строения в частности: - увеличение КПД машины; - размещение оси ветротурбины на максимально возможной высоте для максимального использования установленной мощности; - адаптивность ВЭУ (приспосабливаемость базовой конструкции) к району и особым условиям применения; - уменьшение количества механически изнашиваемых агрегатов и деталей; - минимизация технического обслуживания; - минимизация участия человека в управлении установкой; - снижение материалоёмкости, в первую очередь металлоёмкости; - снижение трудозатрат на механическую обработку деталей; - снижение вредного влияния на макросистему (ВЭС на сеть и шум ВЭУ); - стабилизация выходных параметров тока ВЭУ (в первую очередь частоты) мощной силовой электроникой; - приближение производства к месту применения (локализация). 3. Конструкция ВЭУ должна иметь наибольший эффективный потенциал развития и совершенствования (т.е. улучшения характеристик, приведенных и п.2 по сравнению с предлагаемыми на рынке).

4. Конструкция ВЭУ должна быть наиболее пригодной для производства в России с минимально возможными начальными затратами. 5. Агрегаты, закупаемые на первом этапе производства ВЭУ за рубежом, должны быть такими, чтобы затраты и технические проблемы при освоении их производства в России могли быть минимальными. 6. Размер отдельно транспортируемых агрегатов должен позволять осуществлять транспортировку агрегатов в российских условиях. 7. Конструкции агрегатов ВЭУ должны иметь минимально возможный вес для снижения требования грузоподъёмности (и соответственно цены) к строительно- монтажной технике и обустройству строительной площадки, а также позволить минимизировать требования к квалификации работников при монтаже и наладке. 8. Требования к эксплуатации ВЭУ должны позволять минимизировать затраты на эксплуатацию и ремонт, а также снижать требования к квалификации эксплуатационного персонала. 9. Конструкция и эксплуатация ВЭУ должны быть приспособлены к суровым и разнообразным российским условиям.

Наиболее полно соответствующая критериям и отвечающая принципам конструкция ВЭУ

Основные отличительные особенности этой ветроустановки: 1. Наиболее просто адаптируется к климатическим и эксплуатационным условиям России. 2. Имеет наибольшее количество агрегатов, производство которых возможно сразу начать в Росси и, соответственно, минимальное количество агрегатов, которые на начальном этапе придётся закупать по импорту. На последующем этапе освоение недостающих в российском производстве комплектующих вызовет наименьшие затраты ресурсов на организацию их производства в России. 3. Оказывает минимальное вредное влияние на сеть. 4. Пригодна как в работе общей сетью, так и в локальной сети. 5. Позволяет осуществить транспортировку в российских условиях. 6. Имеет не слишком тяжёлые монтируемые краном агрегаты и, соответственно, монтаж ВЭУ выполняется самоходной мобильной грузоподъёмной техникой. 7. Имеет долгий безремонтный ресурс и наиболее простое обслуживание, т.к. имеет единственный ресурсно нагруженный узел – подшипник главного вала ВЭУ совмещённый с генератором, имеющим непосредственный привод от ветроколеса, т.е. механическому износу в основном подвергается этот подшипник, заведомо изготовленный с большим ресурсным запасом. 8. Обладает наиболее высоким коэффициентом полезного действия по выработке электроэнергии. 9. Наименьшее по затратам времени и средств обслуживание в эксплуатации, а также требования к квалификации персонала, обслуживающего ВЭУ согласно регламенту ТО.